第六章核动力   核动力是利用可控核反应来获取能量,从而得到动力,热量和电能。因为核辐射问题和现在人类还只能控制核裂变,所以核能暂时未能得到大规模的利用。利用核反应来获取能量的原理是:当裂变材料(例如铀-235)在受人为控制的条件下发生核裂变时,核能就会以热的形式被释放出来,这些热量会被用来驱动蒸汽机。蒸汽机可以直接提供动力,也可以连接发电机来产生电能。世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力,同时,核能每年提供人类获得的所有能量中的7%,或人类获得的所有电能中的15.7%。   什么是核动力   核能是一种储量充足而且被广泛应用的能量来源,而且如果用它取代化石燃料来发电的话,温室效应也会相应减轻。国际间正在进行对于改善核能安全性的研究,科学家们同时也在研究可控核聚变和核能的更多用途,比如说制氢,氢能也是一种被广泛提倡的清洁能源,能够使海水淡化,还能大面积供热。   美国每年产生的核能都位居全世界的首位,美国人消耗的电能中有20%的能量来自于核能。如果按核能占总电能的百分比来看的话,法国则占据全球第一。根据2006年的调查显示,核能满足了法国80%的电能需求。欧盟需要的30%的电能来自核反应。各国的核能政策均有不同之处。   1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故使美国放缓了建造核能发电厂的步伐。   后来,核能在经济与环境两方面的益处使联邦政府又开始重新把它转入讨论的话题。公众也对核能非常的感兴趣,不断上涨的油价,核能发电厂安全性的提高和符合京都议定书规定的低温室气体排放量使一些有影响的环境保护论者开始注意核能。有一些核反应堆已处于建造当中,几种新型核反应堆也处在科学的计划之中。   关于核能的利用一直是讨论的话题,因为那些放射性核废料会被无期限的保存起来,这就有可能造成泄漏或爆炸,有些国家可能借用核能的名义来大量制造核武器。核能的拥护者说这些风险是非常渺茫的,并且应用了更先进的科技的新型核反应堆会将风险进一步降低。科学家指出,与其他化石燃料发电厂相比,核能发电厂的安全记录反而更好,核能产生的放射性废料比燃烧煤产生的还少,并且核能可以长时间的获得。而对于核能的反对者,主要包括了大部分主要的环境保护组织,认为核能是一种不经济、不合理且危险的能源,尤其是与可再生能源相比,而且他们对新技术能否减低成本和风险也存在着争议。有些人担心朝鲜及伊朗可能正在以民用核能的名义研制核武器。可是,朝鲜已经承认拥有核武器,而伊朗则对此否认。   ◎核动力的发展   1.起源   1938年,第一个成功的核裂变实验装置在柏林被德国科学家奥托·哈恩,莉泽·迈特纳和弗瑞兹·斯特拉斯曼制成。   在第二次世界大战期间,一些国家致力于研究核能的利用,它们首先研究的是核反应堆。1942年12月2日,恩里科·费米在芝加哥的一所大学里建成了第一个完全自主的链式核反应堆,在恩里科·费米的研究基础上建立的反应堆被用来制造了轰炸长崎的原子弹“胖子”中的钚。正在这个时候,一些国家也正在研究核能,它们的研究重点是核武器,但同时也进行民用核能的研究。   ※往下看的核反应堆1951年12月20日,人类首次利用核反应堆产生出了电能,这个核反应堆位于爱达荷州Arco的EBR-I试验增殖反应堆,它最初向外输出的功率是100千瓦。   1952年,帕雷委员会向当时的美国总统哈利·S·杜鲁门提交了一份实验报告,这份报告认为核能的前景“相当悲观”,它建议应该让科学界的人物研究太阳能。(注:帕雷委员会是总统的材料政策委员会的简称。)   1953年12月,美国总统德怀特·艾森豪威尔发表的名为“和平需要原子”的演说,这一演说使美国政府开始资助一系列国际间的核能研究。   2.早期   1954年6月27日,世界上第一个为电网提供电力的核电站在苏联的欧伯宁斯克开始运行起来。这个核电站使用了石墨来控制核反应并用水来冷却,功率达到5兆瓦。全世界第一个投入商业运营的核反应堆是位于英格兰设菲尔德的CalderHall,它于1956年正式运行。它有一个Magnox型反应堆,最初的输出功率为50兆瓦,经过后来的改进提高到了200兆瓦。宾夕法尼亚州码头市的一个压水型反应堆是美国第一个投入商业运营的反应堆。   1954年,美国原子能委员会的主席说:“人们谈到核能时经常会提到,如果广泛应用核能,电力在将来会变得很便宜,实际上这是错误的。但是人们的这种想法已经让美国决定在2000年之前建造1000个核反应堆。”   1955年,联合国的“第一次日内瓦会议”中,世界上来自四面八方的科学家聚集在一起探索核能这个新领域。1957年,欧洲原子能共同体(EURATOM)与欧洲经济共同体一同成立。同年成立的还有国际原子能机构(IAEA)。   3.速度   在1970年代和1980年代之间,建造核电站所需的巨额费用和下降中的化石燃料价格使建造当中的核电站变得不那么吸引人。   发展核反应堆的功率提升迅速,从1960年代的不到1吉瓦猛长至1970年代的100吉瓦,1980年代又升到了300吉瓦。1980年以后,核反应堆的功率的提升变得不那么迅速了,到了2005年,功率只上升到了366吉瓦,大部分来自于中国的核能建设。   到了20世纪后半叶,一些反对核能的运动不断地兴起,它们担心的是核事故和核辐射,还反对生产、运输和储藏核废料。1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故都成为了许多国家停止建造新核电站的关键理由。澳大利亚于1978年、瑞典于1980年、意大利于1987年都对建造核电站的问题发动了全民族的投诉,同时爱尔兰的核能反对者成功地阻止了在该处核能计划的实施。但布鲁金斯学会的认同下,美国政府没有批准新核电站的建造主要是由于经济原因,并不是安全的问题。   ◎反应堆的种类   现在正在运营的核反应堆可依裂变的方式区分主要分为两大类,每一类中又可依控制裂变的手段区分为数个子类别:   ①核裂变反应堆通过受控制的核裂变来获取核能,所获核能以热量为形式从核燃料中渐渐的释放出来。   现行核电站所用的都是核裂变反应堆,核裂变反应堆的输出功率是可以调整的。核裂变反应堆也可依世代分类,比如说第一、第二和第三代核反应堆。现在的标准核反应堆都为压水式核反应堆(PWR)。   从总的方面来说,快中子式反应堆产生的核废料较少,其核废料的半衰期也大大短于其他型式反应堆所产生的核废料,但这种反应堆很难建造,运营成本非常的高。快中子式反应堆也可以当作增殖型核反应堆,而热中子式核反应堆一般不能为此。   A.沸水式反应堆(BWR)   这种反应堆是以轻水作为冷却剂和减速剂,但水压比较低一些。正因为如此,在这种反应堆的内部,所存储的水通常是沸腾着的,所以这种反应堆的热效率比较高,结构相对比较简单,而且可能更安全。主要的缺点是:沸水会升高水压,因此这些带有放射性的水可能突然泄漏出来。这种反应堆也占了现在运行的反应堆的一大部分,这是一种热中子式核反应堆。台湾核一厂和核二厂两座发电厂的反应堆为此型。   B.压水式核反应堆(PWR)   这种反应堆完全以高压水来冷却并使中子减速。大部分正在运行的反应堆都属于这一类型。尽管在三哩岛出事的反应堆就是这一种,一般仍认为这类反应堆最为安全可靠。这是一种热中子式核反应堆。中国大陆秦山核电站一期工程、大亚湾核电站和台湾核三厂的反应堆为此型。   C.压重水式核反应堆(PHWR)   这个反应堆是由加拿大人设计出来的,压重水式核反应堆也叫做CANDU,这种反应堆使用高压重水来进行冷却和减速。这种反应堆的核燃料不是装在单一压力舱中,而是装在几百个压力管道中。这种反应堆使用天然铀为核燃料,是一种热中子式核反应堆。中国大陆秦山核电站三期工程的反应堆为此型。印度也在它的第一次核试爆后运行了一些压重水式核反应堆。这种反应堆可以在输出功率开到最大时添加核燃料,因此能高效利用核燃料,大部分压重水式反应堆都位于加拿大,有一些出售到阿根廷、中国、印度、巴基斯坦、罗马尼亚和南韩。   ※远看核电厂   D.气冷式反应堆和高级气冷式反应堆   这种反应堆主要利用石墨作为减速剂,并用二氧化碳作为冷却剂。其工作温度较压水式反应堆更高,因此热效率比较高。一部分正在运行的反应堆属于这一类,它们大部分都位于英国。老式的核电站已经或即将关闭,关闭这种核电站的费用很高,因其反应炉核心很大,但高级气冷式核反应堆还会继续运行10~20年,这是一种热中子式核反应堆。   E.石墨轻水型核反应堆(RBMK)   石墨轻水型核反应堆是一种由苏联设计的,它在输出电力的同时还产生钚。这种反应堆用水来冷却并用石墨来减速。RBMK型与压重水型在某些方面具有相同之处,即可以在运行中补充核燃料,并且使用的都是压力管。但是与压重水型不同的地方在于,这种反应堆不稳定,并且体积比较大,无法装置在外罩安全壳的建筑物里,这一点是非常危险的。RBMK型还有一些很重大的安全缺陷,尽管其中一些在切尔诺贝利核事故后被改正了。一般认为RBMK型是最危险的核反应堆型号之一。切尔诺贝利核电站拥有四台RBMK型反应堆。   F.液态金属式快速增殖核反应堆(LMFBR)   这种反应堆在效率上很接近压水式反应堆,而且工作压力不需太高,因为液态金属即使在极高温下也不需加压。主要利用液态金属来作为冷却剂,而完全不用减速剂,并且在发电的同时生产出比消耗量更多的核燃料。法国的超级凤凰核电站和美国的费米-I核电站用的都是这种反应堆。1995年,日本的“文殊”核电站发生液态钠泄漏,预计将会在2008年重新投入运行。这三个核电站都用到了液态钠。这是一种快速中子式反应堆而不是热中子式反应堆。液态金属式反应堆可分为两种类型。   G.液态钠式反应堆   大部分液态金属式反应堆都属于这一种。钠很容易获得,而且还具有防止腐蚀的功能。但是,钠遇水即剧烈爆炸,所以使用时一定要小心。虽然这样,处理钠爆炸并不比处理压水式核反应堆中超高温轻水的泄漏麻烦到哪里去。   H.液态铅式反应堆   这种反应堆使用液态铅来作为冷却剂,铅不但是隔绝辐射的绝佳材料,还能承受很高的工作温度。与钠不同的是,铅是惰性元素,所以发生事故的几率也较小,但是,应用如此大量的铅就不得不考虑毒性问题,而且清理起来也很麻烦。还有,铅几乎不吸收中子,所以在冷却过程中损失的中子较少,冷却剂也不会带放射性。这种反应堆经常用的是铅铋共熔合金。在这种情况下,铋通常会产生一些小的放射性问题,因为它会吸收少量中子,而且也比铅更容易变得带放射性。   一些放射性同位素温差发电机被用来驱动太空探测器,苏联建筑中的一些灯塔,和某些心脏起搏器。这种发电机产生的热会随着时间的推移而逐渐地减少着,其热能通过温差电效应转换成电能。   轻水反应堆使用普通水来减慢中子并进行冷却。链式反应被一些能够吸收或减慢中子的材料控制着。在以铀为核燃料的反应堆当中,中子需要的速度异常的慢,因为当慢速中子轰击铀-235原子核时是更容易发生裂变的。当水的温度升高到一定程度时,它便达到了工作温度,此时密度会逐渐地降低,因此没被它吸收的少量中子会被减得足够慢,然后去引发新的裂变。负反馈将裂变速度保持在一定水平。   ◎试验技术   产生核能的设计还有很多,比如说德国第IV号反应堆,是一些正在进行的研究项目的对象,在不久的将来它们可能会投入实际应用。一些改进后的核反应堆使反应炉变得更干净、更安全和降低了散布核武器的风险。   1.整合式快中子反应堆   1980年,根据科学家的建造,测试并评估了一个整合式快中子反应堆,后在1990年代由于克林顿政府的要求而被弃置,这是因为克林顿政府的政策是防止核武器扩散。这种反应堆会将用过的核燃料回收,因此它只产生一点核废料。   2.超临界水冷式反应器(SCWR)   超临界水冷式反应器将比气冷式反应堆具有更高的效率,与压水式反应堆的安全性结合到了一起,它在技术上遇到的挑战可能比二者都大。在这种反应器中,水会被加热到临界点。超临界水冷式反应器与沸水式反应堆相似,但是超临界水冷式反应器中的水不会沸腾,因此它的热效率也就比沸水式反应堆高。超临界水冷式反应器是一种超热中子反应堆。   3.球床反应堆—这种反应堆使用陶瓷球来包装住核燃料,所以其安全性比较好。绝大多数的这种反应堆使用氦作为冷却气体,氦是不会爆炸的,不会很容易地吸收中子而变得有放射性,也不会溶解能变得有放射性的物质。典型的设计拥有比轻水式反应堆的安全壳层数更多层的安全壳。它的独有特点是,燃料球实际上组成了反应炉的核心,而且可以一个一个地更换,因此这种反应堆更安全。核燃料的这种设计使重新处理它们变得很贵。   4.SSTAR小型(Small)密封(Sealed)可运输式(Transportable)自主(Autonomous)反应堆(Reactor)在美国是首要研究项目之一,它是一种相当安全的增殖反应堆。   5.次临界反应堆的设计相对比较安全,但是在建造技术和经济上依然有一定的困难性。   6.钍反应堆:在这种特殊的反应堆中,钍-232可以转变为铀-233。正是在这种情况下,比铀的储量更丰富的钍就可以用来制造铀-233。铀-233相对于铀-235来说具备一定的优点,它产生的中子比较多,并且产生更少的长半衰期超铀元素核废料。   高级重水反应堆——下一代的压重水式核反应堆,使用重水来作为减速剂。印度的巴巴原子研究中心正在对此进行研究。   KAMINI是一种独特的反应堆,它主要运用铀-233来作为核燃料。由巴巴原子研究中心和甘地原子研究中心统一建造。   受人为控制的核聚变在理论上也可以提供核能,并且操纵过程并不像锕系元素那么复杂麻烦,但是在技术上还有许多难题等待解决。印度正在建造一台更大的快速增殖钍反应器,为的是利用钍来获取核能并控制它。科学家已经建造了几个核聚变反应堆,到目前为止,还没有一个反应堆输出的能量比输入的能量多。1950年代,科学家就开始研究可控核聚变,但是一般认为2050年以前不会有商业性的核聚变反应堆投入应用。现在ITER领导着可控核聚变的研究。   知识链接   工作原理   一般核电站的关键部分是:核燃料、中子减速剂、冷却剂、控制棒、压力舱、反应炉中心紧急冷却系统、反应堆保护系统、蒸汽发生器(沸水式反应堆中没有这个)、安全壳建筑、水泵、涡轮机、发电机和冷凝器。   一般的热电厂都有燃料供应来产生热,比如说天然气,煤或石油。对于核电厂来说,它需要的热来自于核反应堆中的核裂变。当一个相当大的可裂变原子核(一般为铀-235或钚-239)被一个中子轰击时,它便分裂为两个或更多个部分,同时释放出能量和中子,这个过程就叫做核裂变。原子核释放出的中子会继续轰击其他原子核。当这个链式反应被控制的时候,它释放出的能量便可用来烧水,产生出的水蒸汽会驱动涡轮机,从而产生电能。需要记住的是,核爆炸中发生的是“不受控制的”链式反应,而核反应堆中的裂变速度无法达到核爆炸所需要的速度,这是因为商业用核燃料的浓度还不够高。   1.你知道核能是一种什么能量来源吗?   2.核动力的起源是什么呢?   3.反应堆的种类是什么呢?   核燃料的循环使用   核反应堆只是核燃料循环里面的一部分。整个循环从核燃料的开采开始。通常情况下,铀矿不是露天开采的条带矿,就是原地开采的过滤型矿。在任意一种情况下,铀矿石都会被提取出来,并被转为稳定而且紧密的形式,例如黄铀饼。然后被送到处理工厂。在处理工厂里,黄铀饼会被转化为六氟化铀,之后会被提纯。在这时,包含了07%以上铀-235的提纯铀会被加工成各种形状大小的燃料棒。被送到核电站以后,这些燃料棒就会在反应堆里面呆上大约3年,在这3年中,它们会消耗自身包含的铀的3%,在这之后,它们会被送到乏燃料水池,在这里,核裂变中产生的一些半衰期短的同位素会衰变掉。在这里呆上大约5年以后,这些核燃料的放射性会降低到安全范围之内,之后就会被装进干的储藏容器永久储藏,或者被送到再处理工厂进行再次处理。   ◎核燃料的来源   铀是一种常见的化学元素,不论陆地上还是海洋里面的每个地方都存在着铀。它就跟锡一样常见,储量比金高500倍。大部分种类的岩石和土壤都包含着铀,尽管浓度极低。现在,比较经济的铀储藏地的铀浓度至少为01%。根据目前的花费速度来算,地球上可以被提取的铀还可用50年。将铀的价格提高一倍对核电站的运行成本不会有太大影响,但是可以使地球上可被提取的铀能持续使用几百年。在这种情况下,将铀的价格提高一倍会将核电站的运行成本提高5%。不过,如果将天然气的价格提高一倍,那么天然气的供应成本就会提高60%。将煤的价格提高一倍会将煤的供应成本提高30%。   铀的提纯会产生出许多吨贫铀(DU),它包含了铀-238和大多数铀-235。铀-238有几种商业上的应用,比如说飞机制造,辐射防护,制造子弹和装甲,这是由于它具有比铅更高的的密度。有人担心那些过度接触铀-238的人会得辐射病,这些人包括在有大量贫铀存在的地区居住的居民和坦克乘员。   现在的轻水反应堆远远没有能充分利用核燃料,这样就造成了浪费。更有效的反应堆或者再处理技术将会减少核废料的数量,并且能够更好地利用资源。   与现在使用的铀-235(占天然铀的0.7%)的轻水反应堆不同的是,快速增殖反应堆使用的是铀-238(占天然铀的993%)。铀-238估计可以供核电站使用50亿年。增殖技术已经被应用在了几个反应堆中。一直到2005年12月,唯一正在向外界提供能量的增殖反应堆是位于俄罗斯别洛雅尔斯克的BN-600(BN-600的输出功率为600兆瓦,俄罗斯还计划在别洛雅尔斯克核电站建造另一个反应堆,BN-800)。还有,日本的“文殊”反应堆也在准备重新起用(它从1995年起就被关闭了),中国和印度也在计划建造增殖反应堆。   由钍转化而得的铀-233也可以用做核裂变燃料。地球上钍的储量时铀的储量的三倍,而且理论上所有这些钍都可以被用来进行增殖,这使钍的潜在市场大于铀的市场。与用铀-238来制造钚不一样的是,用钍来制造铀-233不需要快速增殖反应堆,它在常规增殖反应堆中的表现已经很令人满意了。   计划里的核聚变反应堆使用的核燃料是氘,它是一种氢的同位素,现在的设计也会用到锂。以现在人类消耗能量的速度来看,地球上可以开采的锂还能够用3000年,海洋中的锂可用6000万年,如果核聚变反应堆只消耗氘的话,它们可以工作1500亿年。相比之下,太阳只剩下了50亿年的寿命。   ◎核电站的固体废料   现在的核电站产生的废料非常多。一台大型核反应堆每年会产生3立方米(25~30吨)的核废料。这些核废料里面主要包含没有发生裂变的铀和大量锕系元素中的超铀元素(大部分是钚和锔)。3%的核废料是裂变产物。核废料中的长半衰期成分为锕系元素(铀,钚和锔),短半衰期成分为裂变产物。   核废料具有很强放的射性,而且需要特别小心地进行控制。刚从核反应堆出来的核废料可在不到一分钟的时间内使人致死。不过,核废料的放射性会伴随时间逐渐减少。40年后,它的放射性与刚从反应堆出来时相比,已经减少了99.9%,尽管它的放射性还是很危险。   核废料的储藏和处理是一个非常大的挑战。由于核废料具有放射性,所以它必须存放在具有辐射防护的水池里面(乏燃料池),在这之后它一般会被送到干燥的地窖或防辐射的干燥容器中进行储藏,直到它的辐射量降低到可以进行进一步处理的程度。由于核燃料种类的不同,这个过程通常要持续几年到几十年的时间。美国大多数的核废料现在都在短期的储藏地点,人们正在讨论建造永久性的储藏地点。2003年,美国的核反应堆已经制造了49000吨核废料。美国犹加山的地下储藏室被提议成为永久的储藏地点。根据美国环境保护总署的计算,大约经过10000年以后,核废料的放射性就会降低到安全范围之内。参看核燃料循环。   核废料的数量的减少可以通过几种方法,其中核燃料再处理效果最为明显。即便是这样,剩余的核废料如果不包含锕系元素,那么它还会持续300年保持强放射性,如果包含锕系元素,就会持续几千年保持强放射性。即使将核废料里面的锕系元素全部除去,并使用快速增殖反应堆通过嬗变将一些半衰期长的非锕系元素也除去,核废料还是要在一百至几百年内与外界隔绝,所以这是个长期的问题。次临界反应堆和核聚变反应堆也可以减少核废料需要被储藏的时间。由于科技在飞速地发展,人们地下填埋是否是处理核废料最好的方法这一问题已经出现了争议。如今的核废料在将来可能就是一种有用的资源。   核工业上使用的受污染的净水树脂、工作服、工具和一些正要关闭的核电站本身也都在产生一些低放射性的废料。在美国,美国核管理委员会已经几次尝试着允许低放射性废料被当作普通废物进行处理,比如进行填埋、回收等等。许多低放射性废料的辐射量非常小,它们只因为自己的使用历史而被当作了放射性废物。举例来说,根据美国核管理委员会的标准,咖啡也可以被视作低放射性废料。   在应用了核能的国家里面,整个工业产生的有毒废料中只有不到1%是放射性废料,尽管如此它们也是极其有害的,除非经过衰变后,它们的辐射量变得更低,或者更理想的是,辐射完全消失。总体来说,核能工业产生的废料比化石燃料工业产生的废料要少很多。燃烧煤的工厂产生的有毒和放射性的废料特别的多,因为煤中的有害的和放射性的物质在这里被集中起来了。   知识链接·废料再处理·   再处理可以回收用过的核燃料中95%的铀和钚,并将它们转化为新的混合氧化物燃料。这也同时减少了核废料的长期放射性,因为经过再处理后,剩余核废料中主要就是半衰期短的裂变产物,并且它的体积也减少了90%。民用核燃料产生的废料的回收已经在英国,法国和(以前)俄罗斯大规模应用,中国也即将应用这项技术,印度也可能应用,日本应用此项技术的规模也在扩展中。伊朗已经宣布成功进行了核废料的再处理,这就完善了它的核燃料循环,但是同时也招致了美国和国际原子能机构的批评。与其他国家不同的是,美国在一段时间前是禁止核废料再处理的;尽管这个政策已经被废除,但是现在美国大部分使用后的核燃料都仍然在被当作废料处理。   ◎运营成本   核电站的建造一般情况下需要大量资金,但是它的运行和维护成本却相当低(包括了核废料再处理或进行填埋的全部费用)。   核能的反对者说,建造并运行核电站的费用加上核废料再处理和关闭核电站的费用已经超出了在环境上获得的利益。而核能的支持者说,核能是唯一的一种将废料处理的费用考虑到运行成本里面的能源,化石燃料的价格相当低是因为化石燃料工业从不考虑废料处理的问题。   英国皇家工程学院在2004年的时候发表了一份有关英国核电站运营成本的报告。这份报告特别关注的是间歇性能源与更可靠的能源之间成本的比较。报告说明,风能的价格是核能价格的两倍。在碳价包含税收的前提下,使用煤、核能和天然气发的电,价格为0.2201~0.2601元/千瓦时,使用气化煤的价格为0.3201元/千瓦时。当碳税增加(最多为0.2501元)的时候,煤发电的价格就接近了向陆风发电(包含备用能源)的价格,为0.5401元/千瓦时,向海风发电的价格为0.7201元/千瓦时。   核电的价格为0.2301元/千瓦时。这个数字包括了核燃料再处理的费用。   1.建造所需资金   总体看来,建造一座核电站的费用要比建造向外输出同样多功率的以煤或者天然气为燃料的发电厂的费用高出很多。煤的价格远远高于核燃料的价格,而天然气又远比煤贵,所以说,假如建造费用不在考虑范围内的话,烧天然气来发电是最贵的。不过,在建造核电站上投入资金的多少直接决定了核电站输出电能的多少。建造核电站需要的资金占了总运营成本的70%(假设折现率为10%)。   现在许多国家里面的电力市场自由化使核能变得不如从前有吸引力了。在此之前,一个垄断性质的供电商可以保证供电到几十年之久。私人供电公司面临的是短期的合同和潜在的竞争,所以它们喜欢建造成本低的发电厂,这样的话就可以在短期内收回成本。   在许多国家里面,建造核电站所需的执照,监管和认证经常会拖延核电站的竣工时间并增加建造成本。三哩岛核泄漏事故后,美国政府颁布了一系列关于核电站的新标准。以煤和天然气作燃料的发电厂不受这些标准限制,因为它们在建造时没有利润。不过,选址、获得执照和建造这三步适用于所有将要建造的发电厂,这些步骤使得更新而更安全的设计对能源公司来说更有吸引力。   ※扩建后的核电厂   在日本和法国,建造核电站所需的执照和认证的获得程序很简洁,这就使得建造费用和时间大大地缩短了。在法国,政府使用一种与认证新型飞机相似的程序来认证一种核反应堆。也就是说,法国政府不去认证单个的反应堆,而是直接认可一大类反应堆,这就减少了新核电站的认证时间。美国法律也允许这种一次认证一类的做法,而且这种做法很快就要被应用。   为了鼓励核能的发展,美国能源部(DOE)开展了核能2010年计划,在这个计划里面,能源部会鼓励一些感兴趣的团体去采用法国式的认证程序,而且还会给予因认证拖延了时间而增加了建造成本的六家新核电站25%到50%的建造成本作为补贴。   2.补贴   核能的批评者说,在核能的支持者计算核能的费用的时候,他们经常忽略了政府给予核能工业的大量补助,这些补助被用于帮助核能工业的研究。当然,其他的能源工业也收到了补助。化石燃料工业交的税更少,并且不用为它们排放的温室气体支付赔偿金。在许多国家,可再生能源也在生产的过程中收到了补贴,而且在税务方面也受到了特殊照顾。   核能的研究与发展(R 第六章核动力   核动力是利用可控核反应来获取能量,从而得到动力,热量和电能。因为核辐射问题和现在人类还只能控制核裂变,所以核能暂时未能得到大规模的利用。利用核反应来获取能量的原理是:当裂变材料(例如铀-235)在受人为控制的条件下发生核裂变时,核能就会以热的形式被释放出来,这些热量会被用来驱动蒸汽机。蒸汽机可以直接提供动力,也可以连接发电机来产生电能。世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力,同时,核能每年提供人类获得的所有能量中的7%,或人类获得的所有电能中的15.7%。   什么是核动力   核能是一种储量充足而且被广泛应用的能量来源,而且如果用它取代化石燃料来发电的话,温室效应也会相应减轻。国际间正在进行对于改善核能安全性的研究,科学家们同时也在研究可控核聚变和核能的更多用途,比如说制氢,氢能也是一种被广泛提倡的清洁能源,能够使海水淡化,还能大面积供热。   美国每年产生的核能都位居全世界的首位,美国人消耗的电能中有20%的能量来自于核能。如果按核能占总电能的百分比来看的话,法国则占据全球第一。根据2006年的调查显示,核能满足了法国80%的电能需求。欧盟需要的30%的电能来自核反应。各国的核能政策均有不同之处。   1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故使美国放缓了建造核能发电厂的步伐。   后来,核能在经济与环境两方面的益处使联邦政府又开始重新把它转入讨论的话题。公众也对核能非常的感兴趣,不断上涨的油价,核能发电厂安全性的提高和符合京都议定书规定的低温室气体排放量使一些有影响的环境保护论者开始注意核能。有一些核反应堆已处于建造当中,几种新型核反应堆也处在科学的计划之中。   关于核能的利用一直是讨论的话题,因为那些放射性核废料会被无期限的保存起来,这就有可能造成泄漏或爆炸,有些国家可能借用核能的名义来大量制造核武器。核能的拥护者说这些风险是非常渺茫的,并且应用了更先进的科技的新型核反应堆会将风险进一步降低。科学家指出,与其他化石燃料发电厂相比,核能发电厂的安全记录反而更好,核能产生的放射性废料比燃烧煤产生的还少,并且核能可以长时间的获得。而对于核能的反对者,主要包括了大部分主要的环境保护组织,认为核能是一种不经济、不合理且危险的能源,尤其是与可再生能源相比,而且他们对新技术能否减低成本和风险也存在着争议。有些人担心朝鲜及伊朗可能正在以民用核能的名义研制核武器。可是,朝鲜已经承认拥有核武器,而伊朗则对此否认。   ◎核动力的发展   1.起源   1938年,第一个成功的核裂变实验装置在柏林被德国科学家奥托·哈恩,莉泽·迈特纳和弗瑞兹·斯特拉斯曼制成。   在第二次世界大战期间,一些国家致力于研究核能的利用,它们首先研究的是核反应堆。1942年12月2日,恩里科·费米在芝加哥的一所大学里建成了第一个完全自主的链式核反应堆,在恩里科·费米的研究基础上建立的反应堆被用来制造了轰炸长崎的原子弹“胖子”中的钚。正在这个时候,一些国家也正在研究核能,它们的研究重点是核武器,但同时也进行民用核能的研究。   ※往下看的核反应堆1951年12月20日,人类首次利用核反应堆产生出了电能,这个核反应堆位于爱达荷州Arco的EBR-I试验增殖反应堆,它最初向外输出的功率是100千瓦。   1952年,帕雷委员会向当时的美国总统哈利·S·杜鲁门提交了一份实验报告,这份报告认为核能的前景“相当悲观”,它建议应该让科学界的人物研究太阳能。(注:帕雷委员会是总统的材料政策委员会的简称。)   1953年12月,美国总统德怀特·艾森豪威尔发表的名为“和平需要原子”的演说,这一演说使美国政府开始资助一系列国际间的核能研究。   2.早期   1954年6月27日,世界上第一个为电网提供电力的核电站在苏联的欧伯宁斯克开始运行起来。这个核电站使用了石墨来控制核反应并用水来冷却,功率达到5兆瓦。全世界第一个投入商业运营的核反应堆是位于英格兰设菲尔德的CalderHall,它于1956年正式运行。它有一个Magnox型反应堆,最初的输出功率为50兆瓦,经过后来的改进提高到了200兆瓦。宾夕法尼亚州码头市的一个压水型反应堆是美国第一个投入商业运营的反应堆。   1954年,美国原子能委员会的主席说:“人们谈到核能时经常会提到,如果广泛应用核能,电力在将来会变得很便宜,实际上这是错误的。但是人们的这种想法已经让美国决定在2000年之前建造1000个核反应堆。”   1955年,联合国的“第一次日内瓦会议”中,世界上来自四面八方的科学家聚集在一起探索核能这个新领域。1957年,欧洲原子能共同体(EURATOM)与欧洲经济共同体一同成立。同年成立的还有国际原子能机构(IAEA)。   3.速度   在1970年代和1980年代之间,建造核电站所需的巨额费用和下降中的化石燃料价格使建造当中的核电站变得不那么吸引人。   发展核反应堆的功率提升迅速,从1960年代的不到1吉瓦猛长至1970年代的100吉瓦,1980年代又升到了300吉瓦。1980年以后,核反应堆的功率的提升变得不那么迅速了,到了2005年,功率只上升到了366吉瓦,大部分来自于中国的核能建设。   到了20世纪后半叶,一些反对核能的运动不断地兴起,它们担心的是核事故和核辐射,还反对生产、运输和储藏核废料。1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故都成为了许多国家停止建造新核电站的关键理由。澳大利亚于1978年、瑞典于1980年、意大利于1987年都对建造核电站的问题发动了全民族的投诉,同时爱尔兰的核能反对者成功地阻止了在该处核能计划的实施。但布鲁金斯学会的认同下,美国政府没有批准新核电站的建造主要是由于经济原因,并不是安全的问题。   ◎反应堆的种类   现在正在运营的核反应堆可依裂变的方式区分主要分为两大类,每一类中又可依控制裂变的手段区分为数个子类别:   ①核裂变反应堆通过受控制的核裂变来获取核能,所获核能以热量为形式从核燃料中渐渐的释放出来。   现行核电站所用的都是核裂变反应堆,核裂变反应堆的输出功率是可以调整的。核裂变反应堆也可依世代分类,比如说第一、第二和第三代核反应堆。现在的标准核反应堆都为压水式核反应堆(PWR)。   从总的方面来说,快中子式反应堆产生的核废料较少,其核废料的半衰期也大大短于其他型式反应堆所产生的核废料,但这种反应堆很难建造,运营成本非常的高。快中子式反应堆也可以当作增殖型核反应堆,而热中子式核反应堆一般不能为此。   A.沸水式反应堆(BWR)   这种反应堆是以轻水作为冷却剂和减速剂,但水压比较低一些。正因为如此,在这种反应堆的内部,所存储的水通常是沸腾着的,所以这种反应堆的热效率比较高,结构相对比较简单,而且可能更安全。主要的缺点是:沸水会升高水压,因此这些带有放射性的水可能突然泄漏出来。这种反应堆也占了现在运行的反应堆的一大部分,这是一种热中子式核反应堆。台湾核一厂和核二厂两座发电厂的反应堆为此型。   B.压水式核反应堆(PWR)   这种反应堆完全以高压水来冷却并使中子减速。大部分正在运行的反应堆都属于这一类型。尽管在三哩岛出事的反应堆就是这一种,一般仍认为这类反应堆最为安全可靠。这是一种热中子式核反应堆。中国大陆秦山核电站一期工程、大亚湾核电站和台湾核三厂的反应堆为此型。   C.压重水式核反应堆(PHWR)   这个反应堆是由加拿大人设计出来的,压重水式核反应堆也叫做CANDU,这种反应堆使用高压重水来进行冷却和减速。这种反应堆的核燃料不是装在单一压力舱中,而是装在几百个压力管道中。这种反应堆使用天然铀为核燃料,是一种热中子式核反应堆。中国大陆秦山核电站三期工程的反应堆为此型。印度也在它的第一次核试爆后运行了一些压重水式核反应堆。这种反应堆可以在输出功率开到最大时添加核燃料,因此能高效利用核燃料,大部分压重水式反应堆都位于加拿大,有一些出售到阿根廷、中国、印度、巴基斯坦、罗马尼亚和南韩。   ※远看核电厂   D.气冷式反应堆和高级气冷式反应堆   这种反应堆主要利用石墨作为减速剂,并用二氧化碳作为冷却剂。其工作温度较压水式反应堆更高,因此热效率比较高。一部分正在运行的反应堆属于这一类,它们大部分都位于英国。老式的核电站已经或即将关闭,关闭这种核电站的费用很高,因其反应炉核心很大,但高级气冷式核反应堆还会继续运行10~20年,这是一种热中子式核反应堆。   E.石墨轻水型核反应堆(RBMK)   石墨轻水型核反应堆是一种由苏联设计的,它在输出电力的同时还产生钚。这种反应堆用水来冷却并用石墨来减速。RBMK型与压重水型在某些方面具有相同之处,即可以在运行中补充核燃料,并且使用的都是压力管。但是与压重水型不同的地方在于,这种反应堆不稳定,并且体积比较大,无法装置在外罩安全壳的建筑物里,这一点是非常危险的。RBMK型还有一些很重大的安全缺陷,尽管其中一些在切尔诺贝利核事故后被改正了。一般认为RBMK型是最危险的核反应堆型号之一。切尔诺贝利核电站拥有四台RBMK型反应堆。   F.液态金属式快速增殖核反应堆(LMFBR)   这种反应堆在效率上很接近压水式反应堆,而且工作压力不需太高,因为液态金属即使在极高温下也不需加压。主要利用液态金属来作为冷却剂,而完全不用减速剂,并且在发电的同时生产出比消耗量更多的核燃料。法国的超级凤凰核电站和美国的费米-I核电站用的都是这种反应堆。1995年,日本的“文殊”核电站发生液态钠泄漏,预计将会在2008年重新投入运行。这三个核电站都用到了液态钠。这是一种快速中子式反应堆而不是热中子式反应堆。液态金属式反应堆可分为两种类型。   G.液态钠式反应堆   大部分液态金属式反应堆都属于这一种。钠很容易获得,而且还具有防止腐蚀的功能。但是,钠遇水即剧烈爆炸,所以使用时一定要小心。虽然这样,处理钠爆炸并不比处理压水式核反应堆中超高温轻水的泄漏麻烦到哪里去。   H.液态铅式反应堆   这种反应堆使用液态铅来作为冷却剂,铅不但是隔绝辐射的绝佳材料,还能承受很高的工作温度。与钠不同的是,铅是惰性元素,所以发生事故的几率也较小,但是,应用如此大量的铅就不得不考虑毒性问题,而且清理起来也很麻烦。还有,铅几乎不吸收中子,所以在冷却过程中损失的中子较少,冷却剂也不会带放射性。这种反应堆经常用的是铅铋共熔合金。在这种情况下,铋通常会产生一些小的放射性问题,因为它会吸收少量中子,而且也比铅更容易变得带放射性。   一些放射性同位素温差发电机被用来驱动太空探测器,苏联建筑中的一些灯塔,和某些心脏起搏器。这种发电机产生的热会随着时间的推移而逐渐地减少着,其热能通过温差电效应转换成电能。   轻水反应堆使用普通水来减慢中子并进行冷却。链式反应被一些能够吸收或减慢中子的材料控制着。在以铀为核燃料的反应堆当中,中子需要的速度异常的慢,因为当慢速中子轰击铀-235原子核时是更容易发生裂变的。当水的温度升高到一定程度时,它便达到了工作温度,此时密度会逐渐地降低,因此没被它吸收的少量中子会被减得足够慢,然后去引发新的裂变。负反馈将裂变速度保持在一定水平。   ◎试验技术   产生核能的设计还有很多,比如说德国第IV号反应堆,是一些正在进行的研究项目的对象,在不久的将来它们可能会投入实际应用。一些改进后的核反应堆使反应炉变得更干净、更安全和降低了散布核武器的风险。   1.整合式快中子反应堆   1980年,根据科学家的建造,测试并评估了一个整合式快中子反应堆,后在1990年代由于克林顿政府的要求而被弃置,这是因为克林顿政府的政策是防止核武器扩散。这种反应堆会将用过的核燃料回收,因此它只产生一点核废料。   2.超临界水冷式反应器(SCWR)   超临界水冷式反应器将比气冷式反应堆具有更高的效率,与压水式反应堆的安全性结合到了一起,它在技术上遇到的挑战可能比二者都大。在这种反应器中,水会被加热到临界点。超临界水冷式反应器与沸水式反应堆相似,但是超临界水冷式反应器中的水不会沸腾,因此它的热效率也就比沸水式反应堆高。超临界水冷式反应器是一种超热中子反应堆。   3.球床反应堆—这种反应堆使用陶瓷球来包装住核燃料,所以其安全性比较好。绝大多数的这种反应堆使用氦作为冷却气体,氦是不会爆炸的,不会很容易地吸收中子而变得有放射性,也不会溶解能变得有放射性的物质。典型的设计拥有比轻水式反应堆的安全壳层数更多层的安全壳。它的独有特点是,燃料球实际上组成了反应炉的核心,而且可以一个一个地更换,因此这种反应堆更安全。核燃料的这种设计使重新处理它们变得很贵。   4.SSTAR小型(Small)密封(Sealed)可运输式(Transportable)自主(Autonomous)反应堆(Reactor)在美国是首要研究项目之一,它是一种相当安全的增殖反应堆。   5.次临界反应堆的设计相对比较安全,但是在建造技术和经济上依然有一定的困难性。   6.钍反应堆:在这种特殊的反应堆中,钍-232可以转变为铀-233。正是在这种情况下,比铀的储量更丰富的钍就可以用来制造铀-233。铀-233相对于铀-235来说具备一定的优点,它产生的中子比较多,并且产生更少的长半衰期超铀元素核废料。   高级重水反应堆——下一代的压重水式核反应堆,使用重水来作为减速剂。印度的巴巴原子研究中心正在对此进行研究。   KAMINI是一种独特的反应堆,它主要运用铀-233来作为核燃料。由巴巴原子研究中心和甘地原子研究中心统一建造。   受人为控制的核聚变在理论上也可以提供核能,并且操纵过程并不像锕系元素那么复杂麻烦,但是在技术上还有许多难题等待解决。印度正在建造一台更大的快速增殖钍反应器,为的是利用钍来获取核能并控制它。科学家已经建造了几个核聚变反应堆,到目前为止,还没有一个反应堆输出的能量比输入的能量多。1950年代,科学家就开始研究可控核聚变,但是一般认为2050年以前不会有商业性的核聚变反应堆投入应用。现在ITER领导着可控核聚变的研究。   知识链接   工作原理   一般核电站的关键部分是:核燃料、中子减速剂、冷却剂、控制棒、压力舱、反应炉中心紧急冷却系统、反应堆保护系统、蒸汽发生器(沸水式反应堆中没有这个)、安全壳建筑、水泵、涡轮机、发电机和冷凝器。   一般的热电厂都有燃料供应来产生热,比如说天然气,煤或石油。对于核电厂来说,它需要的热来自于核反应堆中的核裂变。当一个相当大的可裂变原子核(一般为铀-235或钚-239)被一个中子轰击时,它便分裂为两个或更多个部分,同时释放出能量和中子,这个过程就叫做核裂变。原子核释放出的中子会继续轰击其他原子核。当这个链式反应被控制的时候,它释放出的能量便可用来烧水,产生出的水蒸汽会驱动涡轮机,从而产生电能。需要记住的是,核爆炸中发生的是“不受控制的”链式反应,而核反应堆中的裂变速度无法达到核爆炸所需要的速度,这是因为商业用核燃料的浓度还不够高。   1.你知道核能是一种什么能量来源吗?   2.核动力的起源是什么呢?   3.反应堆的种类是什么呢?   核燃料的循环使用   核反应堆只是核燃料循环里面的一部分。整个循环从核燃料的开采开始。通常情况下,铀矿不是露天开采的条带矿,就是原地开采的过滤型矿。在任意一种情况下,铀矿石都会被提取出来,并被转为稳定而且紧密的形式,例如黄铀饼。然后被送到处理工厂。在处理工厂里,黄铀饼会被转化为六氟化铀,之后会被提纯。在这时,包含了07%以上铀-235的提纯铀会被加工成各种形状大小的燃料棒。被送到核电站以后,这些燃料棒就会在反应堆里面呆上大约3年,在这3年中,它们会消耗自身包含的铀的3%,在这之后,它们会被送到乏燃料水池,在这里,核裂变中产生的一些半衰期短的同位素会衰变掉。在这里呆上大约5年以后,这些核燃料的放射性会降低到安全范围之内,之后就会被装进干的储藏容器永久储藏,或者被送到再处理工厂进行再次处理。   ◎核燃料的来源   铀是一种常见的化学元素,不论陆地上还是海洋里面的每个地方都存在着铀。它就跟锡一样常见,储量比金高500倍。大部分种类的岩石和土壤都包含着铀,尽管浓度极低。现在,比较经济的铀储藏地的铀浓度至少为01%。根据目前的花费速度来算,地球上可以被提取的铀还可用50年。将铀的价格提高一倍对核电站的运行成本不会有太大影响,但是可以使地球上可被提取的铀能持续使用几百年。在这种情况下,将铀的价格提高一倍会将核电站的运行成本提高5%。不过,如果将天然气的价格提高一倍,那么天然气的供应成本就会提高60%。将煤的价格提高一倍会将煤的供应成本提高30%。   铀的提纯会产生出许多吨贫铀(DU),它包含了铀-238和大多数铀-235。铀-238有几种商业上的应用,比如说飞机制造,辐射防护,制造子弹和装甲,这是由于它具有比铅更高的的密度。有人担心那些过度接触铀-238的人会得辐射病,这些人包括在有大量贫铀存在的地区居住的居民和坦克乘员。   现在的轻水反应堆远远没有能充分利用核燃料,这样就造成了浪费。更有效的反应堆或者再处理技术将会减少核废料的数量,并且能够更好地利用资源。   与现在使用的铀-235(占天然铀的0.7%)的轻水反应堆不同的是,快速增殖反应堆使用的是铀-238(占天然铀的993%)。铀-238估计可以供核电站使用50亿年。增殖技术已经被应用在了几个反应堆中。一直到2005年12月,唯一正在向外界提供能量的增殖反应堆是位于俄罗斯别洛雅尔斯克的BN-600(BN-600的输出功率为600兆瓦,俄罗斯还计划在别洛雅尔斯克核电站建造另一个反应堆,BN-800)。还有,日本的“文殊”反应堆也在准备重新起用(它从1995年起就被关闭了),中国和印度也在计划建造增殖反应堆。   由钍转化而得的铀-233也可以用做核裂变燃料。地球上钍的储量时铀的储量的三倍,而且理论上所有这些钍都可以被用来进行增殖,这使钍的潜在市场大于铀的市场。与用铀-238来制造钚不一样的是,用钍来制造铀-233不需要快速增殖反应堆,它在常规增殖反应堆中的表现已经很令人满意了。   计划里的核聚变反应堆使用的核燃料是氘,它是一种氢的同位素,现在的设计也会用到锂。以现在人类消耗能量的速度来看,地球上可以开采的锂还能够用3000年,海洋中的锂可用6000万年,如果核聚变反应堆只消耗氘的话,它们可以工作1500亿年。相比之下,太阳只剩下了50亿年的寿命。   ◎核电站的固体废料   现在的核电站产生的废料非常多。一台大型核反应堆每年会产生3立方米(25~30吨)的核废料。这些核废料里面主要包含没有发生裂变的铀和大量锕系元素中的超铀元素(大部分是钚和锔)。3%的核废料是裂变产物。核废料中的长半衰期成分为锕系元素(铀,钚和锔),短半衰期成分为裂变产物。   核废料具有很强放的射性,而且需要特别小心地进行控制。刚从核反应堆出来的核废料可在不到一分钟的时间内使人致死。不过,核废料的放射性会伴随时间逐渐减少。40年后,它的放射性与刚从反应堆出来时相比,已经减少了99.9%,尽管它的放射性还是很危险。   核废料的储藏和处理是一个非常大的挑战。由于核废料具有放射性,所以它必须存放在具有辐射防护的水池里面(乏燃料池),在这之后它一般会被送到干燥的地窖或防辐射的干燥容器中进行储藏,直到它的辐射量降低到可以进行进一步处理的程度。由于核燃料种类的不同,这个过程通常要持续几年到几十年的时间。美国大多数的核废料现在都在短期的储藏地点,人们正在讨论建造永久性的储藏地点。2003年,美国的核反应堆已经制造了49000吨核废料。美国犹加山的地下储藏室被提议成为永久的储藏地点。根据美国环境保护总署的计算,大约经过10000年以后,核废料的放射性就会降低到安全范围之内。参看核燃料循环。   核废料的数量的减少可以通过几种方法,其中核燃料再处理效果最为明显。即便是这样,剩余的核废料如果不包含锕系元素,那么它还会持续300年保持强放射性,如果包含锕系元素,就会持续几千年保持强放射性。即使将核废料里面的锕系元素全部除去,并使用快速增殖反应堆通过嬗变将一些半衰期长的非锕系元素也除去,核废料还是要在一百至几百年内与外界隔绝,所以这是个长期的问题。次临界反应堆和核聚变反应堆也可以减少核废料需要被储藏的时间。由于科技在飞速地发展,人们地下填埋是否是处理核废料最好的方法这一问题已经出现了争议。如今的核废料在将来可能就是一种有用的资源。   核工业上使用的受污染的净水树脂、工作服、工具和一些正要关闭的核电站本身也都在产生一些低放射性的废料。在美国,美国核管理委员会已经几次尝试着允许低放射性废料被当作普通废物进行处理,比如进行填埋、回收等等。许多低放射性废料的辐射量非常小,它们只因为自己的使用历史而被当作了放射性废物。举例来说,根据美国核管理委员会的标准,咖啡也可以被视作低放射性废料。   在应用了核能的国家里面,整个工业产生的有毒废料中只有不到1%是放射性废料,尽管如此它们也是极其有害的,除非经过衰变后,它们的辐射量变得更低,或者更理想的是,辐射完全消失。总体来说,核能工业产生的废料比化石燃料工业产生的废料要少很多。燃烧煤的工厂产生的有毒和放射性的废料特别的多,因为煤中的有害的和放射性的物质在这里被集中起来了。   知识链接·废料再处理·   再处理可以回收用过的核燃料中95%的铀和钚,并将它们转化为新的混合氧化物燃料。这也同时减少了核废料的长期放射性,因为经过再处理后,剩余核废料中主要就是半衰期短的裂变产物,并且它的体积也减少了90%。民用核燃料产生的废料的回收已经在英国,法国和(以前)俄罗斯大规模应用,中国也即将应用这项技术,印度也可能应用,日本应用此项技术的规模也在扩展中。伊朗已经宣布成功进行了核废料的再处理,这就完善了它的核燃料循环,但是同时也招致了美国和国际原子能机构的批评。与其他国家不同的是,美国在一段时间前是禁止核废料再处理的;尽管这个政策已经被废除,但是现在美国大部分使用后的核燃料都仍然在被当作废料处理。   ◎运营成本   核电站的建造一般情况下需要大量资金,但是它的运行和维护成本却相当低(包括了核废料再处理或进行填埋的全部费用)。   核能的反对者说,建造并运行核电站的费用加上核废料再处理和关闭核电站的费用已经超出了在环境上获得的利益。而核能的支持者说,核能是唯一的一种将废料处理的费用考虑到运行成本里面的能源,化石燃料的价格相当低是因为化石燃料工业从不考虑废料处理的问题。   英国皇家工程学院在2004年的时候发表了一份有关英国核电站运营成本的报告。这份报告特别关注的是间歇性能源与更可靠的能源之间成本的比较。报告说明,风能的价格是核能价格的两倍。在碳价包含税收的前提下,使用煤、核能和天然气发的电,价格为0.2201~0.2601元/千瓦时,使用气化煤的价格为0.3201元/千瓦时。当碳税增加(最多为0.2501元)的时候,煤发电的价格就接近了向陆风发电(包含备用能源)的价格,为0.5401元/千瓦时,向海风发电的价格为0.7201元/千瓦时。   核电的价格为0.2301元/千瓦时。这个数字包括了核燃料再处理的费用。   1.建造所需资金   总体看来,建造一座核电站的费用要比建造向外输出同样多功率的以煤或者天然气为燃料的发电厂的费用高出很多。煤的价格远远高于核燃料的价格,而天然气又远比煤贵,所以说,假如建造费用不在考虑范围内的话,烧天然气来发电是最贵的。不过,在建造核电站上投入资金的多少直接决定了核电站输出电能的多少。建造核电站需要的资金占了总运营成本的70%(假设折现率为10%)。   现在许多国家里面的电力市场自由化使核能变得不如从前有吸引力了。在此之前,一个垄断性质的供电商可以保证供电到几十年之久。私人供电公司面临的是短期的合同和潜在的竞争,所以它们喜欢建造成本低的发电厂,这样的话就可以在短期内收回成本。   在许多国家里面,建造核电站所需的执照,监管和认证经常会拖延核电站的竣工时间并增加建造成本。三哩岛核泄漏事故后,美国政府颁布了一系列关于核电站的新标准。以煤和天然气作燃料的发电厂不受这些标准限制,因为它们在建造时没有利润。不过,选址、获得执照和建造这三步适用于所有将要建造的发电厂,这些步骤使得更新而更安全的设计对能源公司来说更有吸引力。   ※扩建后的核电厂   在日本和法国,建造核电站所需的执照和认证的获得程序很简洁,这就使得建造费用和时间大大地缩短了。在法国,政府使用一种与认证新型飞机相似的程序来认证一种核反应堆。也就是说,法国政府不去认证单个的反应堆,而是直接认可一大类反应堆,这就减少了新核电站的认证时间。美国法律也允许这种一次认证一类的做法,而且这种做法很快就要被应用。   为了鼓励核能的发展,美国能源部(DOE)开展了核能2010年计划,在这个计划里面,能源部会鼓励一些感兴趣的团体去采用法国式的认证程序,而且还会给予因认证拖延了时间而增加了建造成本的六家新核电站25%到50%的建造成本作为补贴。   2.补贴   核能的批评者说,在核能的支持者计算核能的费用的时候,他们经常忽略了政府给予核能工业的大量补助,这些补助被用于帮助核能工业的研究。当然,其他的能源工业也收到了补助。化石燃料工业交的税更少,并且不用为它们排放的温室气体支付赔偿金。在许多国家,可再生能源也在生产的过程中收到了补贴,而且在税务方面也受到了特殊照顾。   核能的研究与发展(R 第六章核动力   核动力是利用可控核反应来获取能量,从而得到动力,热量和电能。因为核辐射问题和现在人类还只能控制核裂变,所以核能暂时未能得到大规模的利用。利用核反应来获取能量的原理是:当裂变材料(例如铀-235)在受人为控制的条件下发生核裂变时,核能就会以热的形式被释放出来,这些热量会被用来驱动蒸汽机。蒸汽机可以直接提供动力,也可以连接发电机来产生电能。世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力,同时,核能每年提供人类获得的所有能量中的7%,或人类获得的所有电能中的15.7%。   什么是核动力   核能是一种储量充足而且被广泛应用的能量来源,而且如果用它取代化石燃料来发电的话,温室效应也会相应减轻。国际间正在进行对于改善核能安全性的研究,科学家们同时也在研究可控核聚变和核能的更多用途,比如说制氢,氢能也是一种被广泛提倡的清洁能源,能够使海水淡化,还能大面积供热。   美国每年产生的核能都位居全世界的首位,美国人消耗的电能中有20%的能量来自于核能。如果按核能占总电能的百分比来看的话,法国则占据全球第一。根据2006年的调查显示,核能满足了法国80%的电能需求。欧盟需要的30%的电能来自核反应。各国的核能政策均有不同之处。   1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故使美国放缓了建造核能发电厂的步伐。   后来,核能在经济与环境两方面的益处使联邦政府又开始重新把它转入讨论的话题。公众也对核能非常的感兴趣,不断上涨的油价,核能发电厂安全性的提高和符合京都议定书规定的低温室气体排放量使一些有影响的环境保护论者开始注意核能。有一些核反应堆已处于建造当中,几种新型核反应堆也处在科学的计划之中。   关于核能的利用一直是讨论的话题,因为那些放射性核废料会被无期限的保存起来,这就有可能造成泄漏或爆炸,有些国家可能借用核能的名义来大量制造核武器。核能的拥护者说这些风险是非常渺茫的,并且应用了更先进的科技的新型核反应堆会将风险进一步降低。科学家指出,与其他化石燃料发电厂相比,核能发电厂的安全记录反而更好,核能产生的放射性废料比燃烧煤产生的还少,并且核能可以长时间的获得。而对于核能的反对者,主要包括了大部分主要的环境保护组织,认为核能是一种不经济、不合理且危险的能源,尤其是与可再生能源相比,而且他们对新技术能否减低成本和风险也存在着争议。有些人担心朝鲜及伊朗可能正在以民用核能的名义研制核武器。可是,朝鲜已经承认拥有核武器,而伊朗则对此否认。   ◎核动力的发展   1.起源   1938年,第一个成功的核裂变实验装置在柏林被德国科学家奥托·哈恩,莉泽·迈特纳和弗瑞兹·斯特拉斯曼制成。   在第二次世界大战期间,一些国家致力于研究核能的利用,它们首先研究的是核反应堆。1942年12月2日,恩里科·费米在芝加哥的一所大学里建成了第一个完全自主的链式核反应堆,在恩里科·费米的研究基础上建立的反应堆被用来制造了轰炸长崎的原子弹“胖子”中的钚。正在这个时候,一些国家也正在研究核能,它们的研究重点是核武器,但同时也进行民用核能的研究。   ※往下看的核反应堆1951年12月20日,人类首次利用核反应堆产生出了电能,这个核反应堆位于爱达荷州Arco的EBR-I试验增殖反应堆,它最初向外输出的功率是100千瓦。   1952年,帕雷委员会向当时的美国总统哈利·S·杜鲁门提交了一份实验报告,这份报告认为核能的前景“相当悲观”,它建议应该让科学界的人物研究太阳能。(注:帕雷委员会是总统的材料政策委员会的简称。)   1953年12月,美国总统德怀特·艾森豪威尔发表的名为“和平需要原子”的演说,这一演说使美国政府开始资助一系列国际间的核能研究。   2.早期   1954年6月27日,世界上第一个为电网提供电力的核电站在苏联的欧伯宁斯克开始运行起来。这个核电站使用了石墨来控制核反应并用水来冷却,功率达到5兆瓦。全世界第一个投入商业运营的核反应堆是位于英格兰设菲尔德的CalderHall,它于1956年正式运行。它有一个Magnox型反应堆,最初的输出功率为50兆瓦,经过后来的改进提高到了200兆瓦。宾夕法尼亚州码头市的一个压水型反应堆是美国第一个投入商业运营的反应堆。   1954年,美国原子能委员会的主席说:“人们谈到核能时经常会提到,如果广泛应用核能,电力在将来会变得很便宜,实际上这是错误的。但是人们的这种想法已经让美国决定在2000年之前建造1000个核反应堆。”   1955年,联合国的“第一次日内瓦会议”中,世界上来自四面八方的科学家聚集在一起探索核能这个新领域。1957年,欧洲原子能共同体(EURATOM)与欧洲经济共同体一同成立。同年成立的还有国际原子能机构(IAEA)。   3.速度   在1970年代和1980年代之间,建造核电站所需的巨额费用和下降中的化石燃料价格使建造当中的核电站变得不那么吸引人。   发展核反应堆的功率提升迅速,从1960年代的不到1吉瓦猛长至1970年代的100吉瓦,1980年代又升到了300吉瓦。1980年以后,核反应堆的功率的提升变得不那么迅速了,到了2005年,功率只上升到了366吉瓦,大部分来自于中国的核能建设。   到了20世纪后半叶,一些反对核能的运动不断地兴起,它们担心的是核事故和核辐射,还反对生产、运输和储藏核废料。1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故都成为了许多国家停止建造新核电站的关键理由。澳大利亚于1978年、瑞典于1980年、意大利于1987年都对建造核电站的问题发动了全民族的投诉,同时爱尔兰的核能反对者成功地阻止了在该处核能计划的实施。但布鲁金斯学会的认同下,美国政府没有批准新核电站的建造主要是由于经济原因,并不是安全的问题。   ◎反应堆的种类   现在正在运营的核反应堆可依裂变的方式区分主要分为两大类,每一类中又可依控制裂变的手段区分为数个子类别:   ①核裂变反应堆通过受控制的核裂变来获取核能,所获核能以热量为形式从核燃料中渐渐的释放出来。   现行核电站所用的都是核裂变反应堆,核裂变反应堆的输出功率是可以调整的。核裂变反应堆也可依世代分类,比如说第一、第二和第三代核反应堆。现在的标准核反应堆都为压水式核反应堆(PWR)。   从总的方面来说,快中子式反应堆产生的核废料较少,其核废料的半衰期也大大短于其他型式反应堆所产生的核废料,但这种反应堆很难建造,运营成本非常的高。快中子式反应堆也可以当作增殖型核反应堆,而热中子式核反应堆一般不能为此。   A.沸水式反应堆(BWR)   这种反应堆是以轻水作为冷却剂和减速剂,但水压比较低一些。正因为如此,在这种反应堆的内部,所存储的水通常是沸腾着的,所以这种反应堆的热效率比较高,结构相对比较简单,而且可能更安全。主要的缺点是:沸水会升高水压,因此这些带有放射性的水可能突然泄漏出来。这种反应堆也占了现在运行的反应堆的一大部分,这是一种热中子式核反应堆。台湾核一厂和核二厂两座发电厂的反应堆为此型。   B.压水式核反应堆(PWR)   这种反应堆完全以高压水来冷却并使中子减速。大部分正在运行的反应堆都属于这一类型。尽管在三哩岛出事的反应堆就是这一种,一般仍认为这类反应堆最为安全可靠。这是一种热中子式核反应堆。中国大陆秦山核电站一期工程、大亚湾核电站和台湾核三厂的反应堆为此型。   C.压重水式核反应堆(PHWR)   这个反应堆是由加拿大人设计出来的,压重水式核反应堆也叫做CANDU,这种反应堆使用高压重水来进行冷却和减速。这种反应堆的核燃料不是装在单一压力舱中,而是装在几百个压力管道中。这种反应堆使用天然铀为核燃料,是一种热中子式核反应堆。中国大陆秦山核电站三期工程的反应堆为此型。印度也在它的第一次核试爆后运行了一些压重水式核反应堆。这种反应堆可以在输出功率开到最大时添加核燃料,因此能高效利用核燃料,大部分压重水式反应堆都位于加拿大,有一些出售到阿根廷、中国、印度、巴基斯坦、罗马尼亚和南韩。   ※远看核电厂   D.气冷式反应堆和高级气冷式反应堆   这种反应堆主要利用石墨作为减速剂,并用二氧化碳作为冷却剂。其工作温度较压水式反应堆更高,因此热效率比较高。一部分正在运行的反应堆属于这一类,它们大部分都位于英国。老式的核电站已经或即将关闭,关闭这种核电站的费用很高,因其反应炉核心很大,但高级气冷式核反应堆还会继续运行10~20年,这是一种热中子式核反应堆。   E.石墨轻水型核反应堆(RBMK)   石墨轻水型核反应堆是一种由苏联设计的,它在输出电力的同时还产生钚。这种反应堆用水来冷却并用石墨来减速。RBMK型与压重水型在某些方面具有相同之处,即可以在运行中补充核燃料,并且使用的都是压力管。但是与压重水型不同的地方在于,这种反应堆不稳定,并且体积比较大,无法装置在外罩安全壳的建筑物里,这一点是非常危险的。RBMK型还有一些很重大的安全缺陷,尽管其中一些在切尔诺贝利核事故后被改正了。一般认为RBMK型是最危险的核反应堆型号之一。切尔诺贝利核电站拥有四台RBMK型反应堆。   F.液态金属式快速增殖核反应堆(LMFBR)   这种反应堆在效率上很接近压水式反应堆,而且工作压力不需太高,因为液态金属即使在极高温下也不需加压。主要利用液态金属来作为冷却剂,而完全不用减速剂,并且在发电的同时生产出比消耗量更多的核燃料。法国的超级凤凰核电站和美国的费米-I核电站用的都是这种反应堆。1995年,日本的“文殊”核电站发生液态钠泄漏,预计将会在2008年重新投入运行。这三个核电站都用到了液态钠。这是一种快速中子式反应堆而不是热中子式反应堆。液态金属式反应堆可分为两种类型。   G.液态钠式反应堆   大部分液态金属式反应堆都属于这一种。钠很容易获得,而且还具有防止腐蚀的功能。但是,钠遇水即剧烈爆炸,所以使用时一定要小心。虽然这样,处理钠爆炸并不比处理压水式核反应堆中超高温轻水的泄漏麻烦到哪里去。   H.液态铅式反应堆   这种反应堆使用液态铅来作为冷却剂,铅不但是隔绝辐射的绝佳材料,还能承受很高的工作温度。与钠不同的是,铅是惰性元素,所以发生事故的几率也较小,但是,应用如此大量的铅就不得不考虑毒性问题,而且清理起来也很麻烦。还有,铅几乎不吸收中子,所以在冷却过程中损失的中子较少,冷却剂也不会带放射性。这种反应堆经常用的是铅铋共熔合金。在这种情况下,铋通常会产生一些小的放射性问题,因为它会吸收少量中子,而且也比铅更容易变得带放射性。   一些放射性同位素温差发电机被用来驱动太空探测器,苏联建筑中的一些灯塔,和某些心脏起搏器。这种发电机产生的热会随着时间的推移而逐渐地减少着,其热能通过温差电效应转换成电能。   轻水反应堆使用普通水来减慢中子并进行冷却。链式反应被一些能够吸收或减慢中子的材料控制着。在以铀为核燃料的反应堆当中,中子需要的速度异常的慢,因为当慢速中子轰击铀-235原子核时是更容易发生裂变的。当水的温度升高到一定程度时,它便达到了工作温度,此时密度会逐渐地降低,因此没被它吸收的少量中子会被减得足够慢,然后去引发新的裂变。负反馈将裂变速度保持在一定水平。   ◎试验技术   产生核能的设计还有很多,比如说德国第IV号反应堆,是一些正在进行的研究项目的对象,在不久的将来它们可能会投入实际应用。一些改进后的核反应堆使反应炉变得更干净、更安全和降低了散布核武器的风险。   1.整合式快中子反应堆   1980年,根据科学家的建造,测试并评估了一个整合式快中子反应堆,后在1990年代由于克林顿政府的要求而被弃置,这是因为克林顿政府的政策是防止核武器扩散。这种反应堆会将用过的核燃料回收,因此它只产生一点核废料。   2.超临界水冷式反应器(SCWR)   超临界水冷式反应器将比气冷式反应堆具有更高的效率,与压水式反应堆的安全性结合到了一起,它在技术上遇到的挑战可能比二者都大。在这种反应器中,水会被加热到临界点。超临界水冷式反应器与沸水式反应堆相似,但是超临界水冷式反应器中的水不会沸腾,因此它的热效率也就比沸水式反应堆高。超临界水冷式反应器是一种超热中子反应堆。   3.球床反应堆—这种反应堆使用陶瓷球来包装住核燃料,所以其安全性比较好。绝大多数的这种反应堆使用氦作为冷却气体,氦是不会爆炸的,不会很容易地吸收中子而变得有放射性,也不会溶解能变得有放射性的物质。典型的设计拥有比轻水式反应堆的安全壳层数更多层的安全壳。它的独有特点是,燃料球实际上组成了反应炉的核心,而且可以一个一个地更换,因此这种反应堆更安全。核燃料的这种设计使重新处理它们变得很贵。   4.SSTAR小型(Small)密封(Sealed)可运输式(Transportable)自主(Autonomous)反应堆(Reactor)在美国是首要研究项目之一,它是一种相当安全的增殖反应堆。   5.次临界反应堆的设计相对比较安全,但是在建造技术和经济上依然有一定的困难性。   6.钍反应堆:在这种特殊的反应堆中,钍-232可以转变为铀-233。正是在这种情况下,比铀的储量更丰富的钍就可以用来制造铀-233。铀-233相对于铀-235来说具备一定的优点,它产生的中子比较多,并且产生更少的长半衰期超铀元素核废料。   高级重水反应堆——下一代的压重水式核反应堆,使用重水来作为减速剂。印度的巴巴原子研究中心正在对此进行研究。   KAMINI是一种独特的反应堆,它主要运用铀-233来作为核燃料。由巴巴原子研究中心和甘地原子研究中心统一建造。   受人为控制的核聚变在理论上也可以提供核能,并且操纵过程并不像锕系元素那么复杂麻烦,但是在技术上还有许多难题等待解决。印度正在建造一台更大的快速增殖钍反应器,为的是利用钍来获取核能并控制它。科学家已经建造了几个核聚变反应堆,到目前为止,还没有一个反应堆输出的能量比输入的能量多。1950年代,科学家就开始研究可控核聚变,但是一般认为2050年以前不会有商业性的核聚变反应堆投入应用。现在ITER领导着可控核聚变的研究。   知识链接   工作原理   一般核电站的关键部分是:核燃料、中子减速剂、冷却剂、控制棒、压力舱、反应炉中心紧急冷却系统、反应堆保护系统、蒸汽发生器(沸水式反应堆中没有这个)、安全壳建筑、水泵、涡轮机、发电机和冷凝器。   一般的热电厂都有燃料供应来产生热,比如说天然气,煤或石油。对于核电厂来说,它需要的热来自于核反应堆中的核裂变。当一个相当大的可裂变原子核(一般为铀-235或钚-239)被一个中子轰击时,它便分裂为两个或更多个部分,同时释放出能量和中子,这个过程就叫做核裂变。原子核释放出的中子会继续轰击其他原子核。当这个链式反应被控制的时候,它释放出的能量便可用来烧水,产生出的水蒸汽会驱动涡轮机,从而产生电能。需要记住的是,核爆炸中发生的是“不受控制的”链式反应,而核反应堆中的裂变速度无法达到核爆炸所需要的速度,这是因为商业用核燃料的浓度还不够高。   1.你知道核能是一种什么能量来源吗?   2.核动力的起源是什么呢?   3.反应堆的种类是什么呢?   核燃料的循环使用   核反应堆只是核燃料循环里面的一部分。整个循环从核燃料的开采开始。通常情况下,铀矿不是露天开采的条带矿,就是原地开采的过滤型矿。在任意一种情况下,铀矿石都会被提取出来,并被转为稳定而且紧密的形式,例如黄铀饼。然后被送到处理工厂。在处理工厂里,黄铀饼会被转化为六氟化铀,之后会被提纯。在这时,包含了07%以上铀-235的提纯铀会被加工成各种形状大小的燃料棒。被送到核电站以后,这些燃料棒就会在反应堆里面呆上大约3年,在这3年中,它们会消耗自身包含的铀的3%,在这之后,它们会被送到乏燃料水池,在这里,核裂变中产生的一些半衰期短的同位素会衰变掉。在这里呆上大约5年以后,这些核燃料的放射性会降低到安全范围之内,之后就会被装进干的储藏容器永久储藏,或者被送到再处理工厂进行再次处理。   ◎核燃料的来源   铀是一种常见的化学元素,不论陆地上还是海洋里面的每个地方都存在着铀。它就跟锡一样常见,储量比金高500倍。大部分种类的岩石和土壤都包含着铀,尽管浓度极低。现在,比较经济的铀储藏地的铀浓度至少为01%。根据目前的花费速度来算,地球上可以被提取的铀还可用50年。将铀的价格提高一倍对核电站的运行成本不会有太大影响,但是可以使地球上可被提取的铀能持续使用几百年。在这种情况下,将铀的价格提高一倍会将核电站的运行成本提高5%。不过,如果将天然气的价格提高一倍,那么天然气的供应成本就会提高60%。将煤的价格提高一倍会将煤的供应成本提高30%。   铀的提纯会产生出许多吨贫铀(DU),它包含了铀-238和大多数铀-235。铀-238有几种商业上的应用,比如说飞机制造,辐射防护,制造子弹和装甲,这是由于它具有比铅更高的的密度。有人担心那些过度接触铀-238的人会得辐射病,这些人包括在有大量贫铀存在的地区居住的居民和坦克乘员。   现在的轻水反应堆远远没有能充分利用核燃料,这样就造成了浪费。更有效的反应堆或者再处理技术将会减少核废料的数量,并且能够更好地利用资源。   与现在使用的铀-235(占天然铀的0.7%)的轻水反应堆不同的是,快速增殖反应堆使用的是铀-238(占天然铀的993%)。铀-238估计可以供核电站使用50亿年。增殖技术已经被应用在了几个反应堆中。一直到2005年12月,唯一正在向外界提供能量的增殖反应堆是位于俄罗斯别洛雅尔斯克的BN-600(BN-600的输出功率为600兆瓦,俄罗斯还计划在别洛雅尔斯克核电站建造另一个反应堆,BN-800)。还有,日本的“文殊”反应堆也在准备重新起用(它从1995年起就被关闭了),中国和印度也在计划建造增殖反应堆。   由钍转化而得的铀-233也可以用做核裂变燃料。地球上钍的储量时铀的储量的三倍,而且理论上所有这些钍都可以被用来进行增殖,这使钍的潜在市场大于铀的市场。与用铀-238来制造钚不一样的是,用钍来制造铀-233不需要快速增殖反应堆,它在常规增殖反应堆中的表现已经很令人满意了。   计划里的核聚变反应堆使用的核燃料是氘,它是一种氢的同位素,现在的设计也会用到锂。以现在人类消耗能量的速度来看,地球上可以开采的锂还能够用3000年,海洋中的锂可用6000万年,如果核聚变反应堆只消耗氘的话,它们可以工作1500亿年。相比之下,太阳只剩下了50亿年的寿命。   ◎核电站的固体废料   现在的核电站产生的废料非常多。一台大型核反应堆每年会产生3立方米(25~30吨)的核废料。这些核废料里面主要包含没有发生裂变的铀和大量锕系元素中的超铀元素(大部分是钚和锔)。3%的核废料是裂变产物。核废料中的长半衰期成分为锕系元素(铀,钚和锔),短半衰期成分为裂变产物。   核废料具有很强放的射性,而且需要特别小心地进行控制。刚从核反应堆出来的核废料可在不到一分钟的时间内使人致死。不过,核废料的放射性会伴随时间逐渐减少。40年后,它的放射性与刚从反应堆出来时相比,已经减少了99.9%,尽管它的放射性还是很危险。   核废料的储藏和处理是一个非常大的挑战。由于核废料具有放射性,所以它必须存放在具有辐射防护的水池里面(乏燃料池),在这之后它一般会被送到干燥的地窖或防辐射的干燥容器中进行储藏,直到它的辐射量降低到可以进行进一步处理的程度。由于核燃料种类的不同,这个过程通常要持续几年到几十年的时间。美国大多数的核废料现在都在短期的储藏地点,人们正在讨论建造永久性的储藏地点。2003年,美国的核反应堆已经制造了49000吨核废料。美国犹加山的地下储藏室被提议成为永久的储藏地点。根据美国环境保护总署的计算,大约经过10000年以后,核废料的放射性就会降低到安全范围之内。参看核燃料循环。   核废料的数量的减少可以通过几种方法,其中核燃料再处理效果最为明显。即便是这样,剩余的核废料如果不包含锕系元素,那么它还会持续300年保持强放射性,如果包含锕系元素,就会持续几千年保持强放射性。即使将核废料里面的锕系元素全部除去,并使用快速增殖反应堆通过嬗变将一些半衰期长的非锕系元素也除去,核废料还是要在一百至几百年内与外界隔绝,所以这是个长期的问题。次临界反应堆和核聚变反应堆也可以减少核废料需要被储藏的时间。由于科技在飞速地发展,人们地下填埋是否是处理核废料最好的方法这一问题已经出现了争议。如今的核废料在将来可能就是一种有用的资源。   核工业上使用的受污染的净水树脂、工作服、工具和一些正要关闭的核电站本身也都在产生一些低放射性的废料。在美国,美国核管理委员会已经几次尝试着允许低放射性废料被当作普通废物进行处理,比如进行填埋、回收等等。许多低放射性废料的辐射量非常小,它们只因为自己的使用历史而被当作了放射性废物。举例来说,根据美国核管理委员会的标准,咖啡也可以被视作低放射性废料。   在应用了核能的国家里面,整个工业产生的有毒废料中只有不到1%是放射性废料,尽管如此它们也是极其有害的,除非经过衰变后,它们的辐射量变得更低,或者更理想的是,辐射完全消失。总体来说,核能工业产生的废料比化石燃料工业产生的废料要少很多。燃烧煤的工厂产生的有毒和放射性的废料特别的多,因为煤中的有害的和放射性的物质在这里被集中起来了。   知识链接·废料再处理·   再处理可以回收用过的核燃料中95%的铀和钚,并将它们转化为新的混合氧化物燃料。这也同时减少了核废料的长期放射性,因为经过再处理后,剩余核废料中主要就是半衰期短的裂变产物,并且它的体积也减少了90%。民用核燃料产生的废料的回收已经在英国,法国和(以前)俄罗斯大规模应用,中国也即将应用这项技术,印度也可能应用,日本应用此项技术的规模也在扩展中。伊朗已经宣布成功进行了核废料的再处理,这就完善了它的核燃料循环,但是同时也招致了美国和国际原子能机构的批评。与其他国家不同的是,美国在一段时间前是禁止核废料再处理的;尽管这个政策已经被废除,但是现在美国大部分使用后的核燃料都仍然在被当作废料处理。   ◎运营成本   核电站的建造一般情况下需要大量资金,但是它的运行和维护成本却相当低(包括了核废料再处理或进行填埋的全部费用)。   核能的反对者说,建造并运行核电站的费用加上核废料再处理和关闭核电站的费用已经超出了在环境上获得的利益。而核能的支持者说,核能是唯一的一种将废料处理的费用考虑到运行成本里面的能源,化石燃料的价格相当低是因为化石燃料工业从不考虑废料处理的问题。   英国皇家工程学院在2004年的时候发表了一份有关英国核电站运营成本的报告。这份报告特别关注的是间歇性能源与更可靠的能源之间成本的比较。报告说明,风能的价格是核能价格的两倍。在碳价包含税收的前提下,使用煤、核能和天然气发的电,价格为0.2201~0.2601元/千瓦时,使用气化煤的价格为0.3201元/千瓦时。当碳税增加(最多为0.2501元)的时候,煤发电的价格就接近了向陆风发电(包含备用能源)的价格,为0.5401元/千瓦时,向海风发电的价格为0.7201元/千瓦时。   核电的价格为0.2301元/千瓦时。这个数字包括了核燃料再处理的费用。   1.建造所需资金   总体看来,建造一座核电站的费用要比建造向外输出同样多功率的以煤或者天然气为燃料的发电厂的费用高出很多。煤的价格远远高于核燃料的价格,而天然气又远比煤贵,所以说,假如建造费用不在考虑范围内的话,烧天然气来发电是最贵的。不过,在建造核电站上投入资金的多少直接决定了核电站输出电能的多少。建造核电站需要的资金占了总运营成本的70%(假设折现率为10%)。   现在许多国家里面的电力市场自由化使核能变得不如从前有吸引力了。在此之前,一个垄断性质的供电商可以保证供电到几十年之久。私人供电公司面临的是短期的合同和潜在的竞争,所以它们喜欢建造成本低的发电厂,这样的话就可以在短期内收回成本。   在许多国家里面,建造核电站所需的执照,监管和认证经常会拖延核电站的竣工时间并增加建造成本。三哩岛核泄漏事故后,美国政府颁布了一系列关于核电站的新标准。以煤和天然气作燃料的发电厂不受这些标准限制,因为它们在建造时没有利润。不过,选址、获得执照和建造这三步适用于所有将要建造的发电厂,这些步骤使得更新而更安全的设计对能源公司来说更有吸引力。   ※扩建后的核电厂   在日本和法国,建造核电站所需的执照和认证的获得程序很简洁,这就使得建造费用和时间大大地缩短了。在法国,政府使用一种与认证新型飞机相似的程序来认证一种核反应堆。也就是说,法国政府不去认证单个的反应堆,而是直接认可一大类反应堆,这就减少了新核电站的认证时间。美国法律也允许这种一次认证一类的做法,而且这种做法很快就要被应用。   为了鼓励核能的发展,美国能源部(DOE)开展了核能2010年计划,在这个计划里面,能源部会鼓励一些感兴趣的团体去采用法国式的认证程序,而且还会给予因认证拖延了时间而增加了建造成本的六家新核电站25%到50%的建造成本作为补贴。   2.补贴   核能的批评者说,在核能的支持者计算核能的费用的时候,他们经常忽略了政府给予核能工业的大量补助,这些补助被用于帮助核能工业的研究。当然,其他的能源工业也收到了补助。化石燃料工业交的税更少,并且不用为它们排放的温室气体支付赔偿金。在许多国家,可再生能源也在生产的过程中收到了补贴,而且在税务方面也受到了特殊照顾。   核能的研究与发展(R

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